机器人思考题

1、工业机器人技术1.1 智能机器人的所谓智能的表现形式是什么？答: 推理判断、记忆1.2 人有哪些功能？答:推理判断、记忆、思维、情感1.3 人是怎么来的？答:人的记忆源于类人猿在科学上是公认的事实，目前对人类起源有两种理论即单地起源说和多地起源说，19世纪时西方国家的人类学家抱有种族歧视观念，大部分同意地源说，认为白种人和其他人种起源不同，从根本上就处于一优越地方。20世纪的新考古发现，基因检测技术发展和思想的进步，导致大部分科学家同意单地起源说。1.4机器人分为几类？答:首先，机器人按应用分类可分为工业机器人、极限机器人、娱乐机器人。1)工业机器人有搬运、焊接、装配、喷漆、检验机器人，主要用

2、于现代化的工厂和柔性加工系统中。2)极限机器人主要是指用在人们难以进入的核电站、海底、宇宙空间进行作业的机器人，包括建筑、农业机器人。3)娱乐机器人包括弹奏机器人、舞蹈机器人、玩具机器人等 。也有根据环境而改变动作的机器人。其次，按照控制方式机器人可分为操作机器人、程序机器人、示教机器人、智能机器人和综合机器人。1.5 机器人由哪几部分组成？各部分什么功能？答:机器人由三大部分六个子系统组成。三大部分是机械部分、传感部分和控制部分。六个子系统是驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交换系统、人机交换系统和控制系统。驱动系统，要使机器人运作起来，各需各个关节即每个运动自由度安置传动装置。

3、这就是驱动系统。驱动系统可以是液压传动、气压传动、电动传动、或者把它们结合起来应用综合系统，可以是直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接传动。机械结构传动，工业机器人的机械结构系统由机座、手臂、末端操作器三大部分组成，每一个大件都有若干个自由度的机械系统。若基座不具备行走机构，则构成行走机器人；若基座不具备行走及弯腰机构，则构成单机器人臂。手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件，它可以是二手指或多手指的手抓，也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。感受系统由内部传感器模块和外部传感器模块组成，用以获得内部和外部环境状态中有意义的信息。智能传

4、感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧的，然而，对于一些特殊的信息，传感器比人类的感受系统更有效。机器人一环境交换系统是现代工业机器人雨外部环境中的设备互换联系和协调的系统。工业机器人与外部设备集成为一个功能单元，如加工单元、焊接单元、装配单元等。当然，也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成为一个去执行复杂任务的功能单元。人工交换系统是操作人员与机器人控制并与机器人联系的装置，例如，计算机的标准终端，指令控制台，信息显示板，危险信号报警器等。该系统归纳起来分为两大类：指令给定装置和信息显示装置。控制系统的任务是根据机

5、器人的作业指令程序以及传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。假如工业机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。根据控制原理，控制系统可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。根据控制运行的形式，控制系统可分为点位控制和轨迹控制。1.6 什么是自由度？这样计算自由度？答:人们把构建相对于参考系具有的独立运动参数的数目称为自由度。设一个平面运动链包含N个机构，其中1个构建为机架 则有n-1个活动构件，另外舍友P1个低副和P2个高副。忧郁1个活动构件有3个自由度F 即机构间的地有毒应为F=3n-2P1-P21.7 机器人技

6、术参数有哪些？各参数的意义是什么？答:机器人技术参数有:自由度、精度、工作范围、速度、承载能力1）自由度：是指机器人所具有的独立坐标轴的数目，不包括手爪（末端操作器）的开合自由度。在三维空间里描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。但是，工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，也可能小于六个自由度，也可能大于六个自由度。2）精度：工业机器人的精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示，它是衡量一列误差值的密集度（即重复度）。3）工作范围：是指机器人手臂末端或手腕

7、中心所能到达的所有点的集合，也叫工作区域。4）速度；速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。5)承载能力：是指机器人在工作范围内的任何位姿上所能承受的最大质量。承载能力不仅取决于负载的质量，而且还与机器人运行的速度和加速度的大小和方向有关。为了安全起见，承载能力这一技术指标是指高速运行时的承载能力。通常，承载能力不仅指负载，而且还包括机器人末端操作器的质量。1.8 机器人坐标有哪些？各坐标这样表述？答:工业机器人的坐标形式有直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型和平面关节型。1）直角坐标/笛卡儿坐标/台架型（3P） 这种机器人由三个线性关节组成，这三个关节用来确定末端操作器的位置，通

8、常还带有附加道德旋转关节，用来确定末端操作器的姿态。这种机器人在X、Y、Z轴上的运动是独立的，运动方程可独立处理，且方程是线性的，因此，很容易通过计算机实现；它可以两端支撑，对于给定的结构长度，刚性最大：它的精度和位置分辨率不随工作场合而变化，容易达到高精度。但是，它的操作范围小，手臂收缩的同时又向相反的方向伸出，即妨碍工作，且占地面积大，运动速度低，密封性不好。2）圆柱坐标型（R3P）圆柱坐标机器人由两个滑动关节和一个旋转关节来确定部件的位置，再附加一个旋转关节来确定部件的姿态。这种机器人可以绕中心轴旋转一个角，工作范围可以扩大，且计算简单；直线部分可采用液压驱动，可输出较大的动力；能够伸入

9、型腔式机器内部。但是，它的手臂可以到达的空间受到限制，不能到达近立柱或近地面的空间；直线驱动器部分难以密封、防尘；后臂工作时，手臂后端会碰到工作范围内的其它物体。3）球坐标型（2RP）球坐标机器人采用球坐标系，它用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的位置，再用一个附加的旋转关节确定部件的姿态。这种机器人可以绕中心轴旋转，中心支架附近的工作范围大，两个转动驱动装置容易密封，覆盖工作空间较大。但该坐标复杂，难于控制，且直线驱动装置仍存在密封及工作死区的问题。4）关节坐标型/拟人型（3R）关节机器人的关节全都是旋转的，类似于人的手臂，是工业机器人中最常见的结构。5）平面关节型这种机器人可看作是关节

10、坐标式机器人的特例，它只有平行的肩关节和肘关节，关节轴线共面。1.9 机器人参数坐标系有哪些？各参数坐标系有何作用？答:机器人可以相对于不同的坐标系运动 在每一种坐标系中的运动都不相同 通常 机器人的运动在全局参考坐标系 关节参考坐标系和工具参考坐标系中完成 1) 全局参考系坐标系是一种通用坐标系由X,Y,Z轴所定义2) 关节参考坐标系用来描述机器人每一个独立关节的运动3) 工具参考坐标系描述机器人手相对与固连在手上的坐标系的运动2.1 机器人末端操作器有几种？试述每种工作原理。答:工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为夹钳式取手 、吸附式取料手 专用操作器及转换器 仿生多指灵巧手。1）

11、. 夹钳式取料手夹钳式手部与人手相似, 是工业机器人广为应用的一种手部形式。 它一般由手指(手爪)、驱动机构、 传动机构、连接与支承元件组成。 如图2.3所示, 能通过手爪的开闭动作实现对物体的夹持。 图 2.3 夹钳式手部的组成A 手指手指是直接与工件接触的部件。手部松开和夹紧工件是通过手指的张开与闭合实现的。机器人的手部一般有两个手指, 也有三个或多个手指,其结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。 指端的形状通常有两类: V型指、平面指、尖指及特形指。如图2.3所示V型指的三种形状, 用于夹持圆柱形工件，特点是夹持平稳可靠，误差小。图2.4（a)所示为平面指，一般用于夹持方形工件(具有两

12、个平行平面), 板形或细小棒料。 图2.4（b)所示为尖指，尖指和薄、长指一般用于夹持小型或柔性工件, 其中薄指一般用于夹持位于狭窄工作场地的细小工件, 以避免和周围障碍物相碰，长指一般用于夹持炽热的工件, 以免热辐射对手部传动机构的影响。 图2.4（c)所示为特形指。根据工件形状、大小及被夹持部位材质软硬程度、表面性质等特性，指面常有光滑指面、齿形指面和柔性指面三种形式： 光滑指面平整光滑, 用来夹持已加工表面, 避免已加工表面受损。 齿形指面刻有齿纹, 可增加夹持工件的磨擦力,以确保夹紧牢靠, 多用来夹持表面粗糙的毛坯或半成品。 柔性指面内镶橡胶、泡沫、石棉等物,有增加磨擦力、保护工件表面

13、、 隔热等作用, 一般用于夹持已加工表面、炽热件,也适于夹持薄壁件和脆性工件。 材料影响：夹钳式手指一般选用碳素钢或合金结构钢。为使手指经久耐用，指面可镶嵌硬质合金；高温作业的手指，可选用耐热钢；在腐蚀性气体环境下，可镀铬或进行搪瓷处理，也可选用耐腐蚀的玻璃钢或聚四氟乙烯。B 传动机构传动机构是向手指传递运动和动力, 以实现夹紧和松开动作的机构。该机构根据手指开合的动作特点分为回转型和移动型。回转型又分为一支点回转和多支点回转。根据手爪夹紧是摆动还是平动,又可分为摆动回转型和平动回转型。 (1) 回转型传动机构。夹钳式手部中较多的是回转型手部, 其手指就是一对杠杆或多对杠杆,一般再同斜楔、滑槽

14、、连杆、齿轮、蜗轮蜗杆或螺杆等机构组成复合式杠杆传动机构, 用以改变传动比和运动方向等。 图2.6所示为滑槽式杠杆回转型手部简图, 杠杆形手指4的一端装有V形指5,另一端则开有长滑槽。 驱动杆1上的圆柱销2套在滑槽内, 当驱动连杆同圆柱销一起作往复运动时, 即可拨动两个手指各绕其支点(铰销3)作相对回转运动, 从而实现手指的夹紧与松开动作。 图2.7所示为双支点连杆杠杆式手部简图。 驱动杆2末端与连杆4由铰销3铰接, 当驱动杆2作直线往复运动时, 则通过连杆推动两杆手指各绕其支点作回转运动, 从而使手指松开或闭合。缺点：活动环节多，定位精度比斜楔传动差。图2.8所示为齿轮齿条直接传动的杠杆式手

15、部的结构。 驱动杆2末端制成双面齿条,与扇齿轮4相啮合, 而扇齿轮4与手指5固连在一起, 可绕支点回转。驱动力推动齿条作直线往复运动, 即可带动扇齿轮回转, 从而使手指松开或闭合。 (2) 平移型传动机构。平移型夹钳式手部是通过手指的指面作直线往复运动或平面移动来实现张开或闭合动作, 常用于夹持具有平行平面的工件(如冰箱等)。其结构较复杂,不如回转型手部应用广泛。 直线往复移动机构:实现直线往复移动的机构很多, 常用的斜楔传动、齿条传动、螺旋传动等均可应用于手部结构。 如图2.9所示中，(a)为斜楔平移机构, (b)为连杆杠杆平移结构, (c)为螺旋斜楔平移结构。 它们既可是双指型的, 也可是

16、三指(或多指)型的; 既可自动定心, 也可非自动定心。 平面平行移动机构： 图2.10所示为几种平面平行平移型夹钳式手部的简图。 它们的共同点是: 都采用平行四边形的铰链机构双曲柄铰链四连杆机构, 以实现手指平移。其差别在于分别采用齿条齿轮、 蜗杆蜗轮、 连杆斜滑槽的传动方法。 2).吸附式取料手分类：根据吸力的不同分为气吸附和磁吸附 应用范围：大平面（单面接触无法抓取）易碎（玻璃、磁盘）汽车玻璃安装 微小（不易抓取） 工件分捡2.吸附式取料手A 气吸附式取料手气吸附式取料手是利用吸盘内的压力和大气压之间的压力差而工作的。 按形成压力差的方法,可分为真空吸附、气流负压气吸、挤压排气负压气吸式等

17、几种。 气吸式取料手与夹钳式取料手相比, 具有结构简单,重量轻, 吸附力分布均匀等优点,对于薄片状物体的搬运更有其优越性(如板材、 纸张、 玻璃等物体), 广泛应用于非金属材料或不可有剩磁的材料的吸附。但要求物体表面较平整光滑, 无孔无凹槽。1) 真空吸附取料手图2.11所示为真空吸附取料手的结构原理。其真空的产生是利用真空泵, 真空度较高。主要零件为碟形橡胶吸盘1, 通过固定环2安装在支承杆4上, 支承杆由螺母5固定在基板6上。 取料时, 碟形橡胶吸盘与物体表面接触, 橡胶吸盘在边缘既有密封作用,又起到缓冲作用, 然后真空抽气,吸盘内腔形成真空, 吸取物料。放料时, 管路接通大气, 失去真空

18、, 物体放下。为避免在取、 放料时产生撞击, 有的还在支承杆上配有弹簧缓冲。为了更好地适应物体吸附面的倾斜状况,有的在橡胶吸盘背面设计有球铰链。真空吸附取料手有时还用于微小无法抓取的零件, 如图2.12所示。 2) 气流负压吸附取料手气流负压吸附取料手如图2.14所示。气流负压吸附取料手是利用流体力学的原理, 当需要取物时, 压缩空气高速流经喷嘴5时, 其出口处的气压低于吸盘腔内的气压, 于是腔内的气体被高速气流带走而形成负压, 完成取物动作;当需要释放时, 切断压缩空气即可。这种取料手需要压缩空气,工厂里较易取得,故成本较低。 3) 挤压排气式取料手挤压排气式取料手如图2.15所示。其工作原

19、理为: 取料时吸盘压紧物体, 橡胶吸盘变形, 挤出腔内多余的空气,取料手上升, 靠橡胶吸盘的恢复力形成负压, 将物体吸住; 释放时,压下拉杆3, 使吸盘腔与大气相连通而失去负压。 该取料手结构简单, 但吸附力小, 吸附状态不易长期保持。 B 磁吸附式取料手磁吸附式取料手是利用电磁铁通电后产生的电磁吸力取料, 因此只能对铁磁物体起作用; 另外,对某些不允许有剩磁的零件要禁止使用。所以, 磁吸附式取料手的使用有一定的局限性。电磁铁工作原理如图2.16(a)所示。当线圈1通电后, 在铁心2内外产生磁场, 磁力线穿过铁心, 空气隙和衔铁3被磁化并形成回路, 衔铁受到电磁吸力F的作用被牢牢吸住。实际使用

20、时, 往往采用如图2.16(b)所示的盘式电磁铁, 衔铁是固定的, 衔铁内用隔磁材料将磁力线切断, 当衔铁接触磁铁物体零件时, 零件被磁化形成磁力线回路,。图2.17所示为几种电磁式吸盘吸料示意图。 图(a)为吸附滚动轴承底座的电磁式吸盘; 图(b)为吸取钢板的电磁式吸盘; 图(c)为吸取齿轮用的电磁式吸盘; 图(d)为吸附多孔钢板用的电磁式吸盘。 电磁吸盘适用范围：适用于用铁磁材料做成的工件；不适合于由有色金属和非金属材料制成的工件。适合于被吸附工件上有剩磁也不影响其工作性能的工件。适合于定位精度要求不高的工件。适合于常温状况下工作。铁磁材料高温下的磁性会消失。3)、专用操作器及转换器A.

21、专用末端操作器机器人是一种通用性很强的自动化设备,根据作业要求, 配上各种专用的末端操作器,就能完成各种不同的工作。如在通用机器人上安装焊枪就成为一台焊接机器人, 安装拧螺母机则成为一台装配机器人。目前有许多由专用电动、气动工具改型而成的操作器, 如图2.19所示, 有拧螺母机、焊枪、电磨头、电铣头、抛光头、激光切割机等，形成一整套系列供用户选用, 使机器人胜任各种工作。 图2.19还有一个装有电磁吸盘式换接器的机器人手腕, 电磁吸盘直径60 mm, 质量为1 kg,吸力1100 N, 换接器可接通电源、信号、压力气源和真空源,电插头有18芯,气路接头有5路。为了保证联接位置精度,设置了两个定

22、位销。在各末端操作器的端面装有换接器座,平时陈列于工具架上,需要使用时机器人手腕上的换接器吸盘从正面吸牢换接器座,接通电源和气源, 然后从侧面将末端操作器退出工具架, 机器人便可进行作业。 B. 换接器或自动手爪更换装置使用一台通用机器人,要在作业时能自动更换不同的末端操作器, 就需要配置具有快速装卸功能的换接器。换接器由两部分组成: 换接器插座和换接器插头, 分别装在机器腕部和末端操作器上,能够实现机器人对末端操作器的快速自动更换。 专用末端操作器换接器的要求主要有:同时具备气源、电源及信号的快速联接与切换; 能承受末端操作器的工作载荷; 在失电、 失气情况下, 机器人停止工作时不会自行脱离

23、;具有一定的换接精度等。图2.20所示为气动换接器和专用末端操作器库。该换接器也分成两部分: 一部分装在手腕上, 称为换接器; 另一部分装在末端操作器上, 称为配合器。利用气动锁紧器将两部分进行联接, 并具有就位指示灯以表示电路、 气路是否接通。 4)、仿生多指灵巧手A. 柔性手为了能对不同外形的物体实施抓取, 并使物体表面受力比较均匀, 研制出了柔性手。如图2.22所示为多关节柔性手腕,每个手指由多个关节串联而成。手指传动部分由牵引钢丝绳及摩擦滚轮组成,每个手指由两根钢丝绳牵引, 一侧为握紧, 另一侧为放松。 驱动源可采用电机驱动或液压、气动元件驱动。 柔性手腕可抓取凹凸不平的外形并使物体受

24、力较为均匀。 图2.23为用柔性材料做成的柔性手。一端固定,一端为自由端的双管合一的柔性管状手爪, 当一侧管内充气体或液体、另一侧管内抽气或抽液时形成压力差,柔性手爪就向抽空侧弯曲。此种柔性手适用于抓取轻型、圆形物体, 如玻璃器皿等。 B. 多指灵巧手机器人手爪和手腕最完美的形式是模仿人手的多指灵巧手。 如图2.24所示,多指灵巧手有多个手指, 每个手指有3个回转关节, 每一个关节的自由度都是独立控制的。因此,几乎人手指能完成的各种复杂动作它都能模仿,诸如拧螺钉、弹钢琴、 作礼仪手势等动作。在手部配置触觉、力觉、视觉、温度传感器, 将会使多指灵巧手达到更完美的程度。多指灵巧手的应用前景十分广泛

25、,可在各种极限环境下完成人无法实现的操作, 如核工业领域、宇宙空间作业, 在高温、高压、高真空环境下作业等。 5)、 其它手A. 弹性力手爪弹性力手爪的特点是其夹持物体的抓力是由弹性元件提供的,不需要专门的驱动装置, 在抓取物体时需要一定的压入力, 而在卸料时, 则需要一定的拉力。 图2.25所示为几种弹性力手爪的结构原理图。图2.25(a)所示的手爪有一个固定爪, 另一个活动爪6靠压簧4提供抓力, 活动爪绕轴5回转, 空手时其回转角度由平面2、3限制。 抓物时,爪6在推力作用下张开,靠爪上的凹槽和弹性力抓取物体; 卸料时, 需固定物体的侧面,手爪用力拔出即可。 B. 勾托式手部图2.26所示

26、为勾托式手部结构示意图。勾托式手部并不靠夹紧力来夹持工件, 而是利用工件本身的重量, 通过手指对工件的勾、托、捧等动作来托持工件。应用勾托方式可降低对驱动力的要求,简化手部结构, 甚至可以省略手部驱动装置。该手部适用于在水平面内和垂直面内搬运大型笨重的工件或结构粗大而质量较轻且易变形的物体。 勾托式手部又有手部无驱动装置和驱动装置两种类型。 2.2 机器人手腕有几种？试述每种手腕结构。答：1）机器人的手腕按自由度数目来分 可分为单自由度手腕 2自由度手腕和3自由度手腕 单自由度手腕可以由一个R关节和一个B关节组成的BR手腕也可以由2个B关节组成的BB手腕 但是 不能有2个R关节组成的RR手腕

27、因为2个R共轴线 所以退化了一个自由度 实际只构成了单自由度手腕 三自由度手腕可以由B关节和R关节组成许多种形式 （2）按驱动方式来分 可分为直接驱动手腕和远距离传动手腕2.3 机器人手臂有几种？试述每种手臂结构。答：机器人的手臂按结构形式分可分为单臂式，双臂式及悬挂式 按手臂的运动形式区分，手臂有直线运动的。如手臂的伸缩，升降及横向移动，有回转运动的 如手臂的左右回转 上下摆动有复合运动 如直线运动和回转运动的组合。2直线运动的组合 2回转运动的组合。 手臂回转运动机构，实现机器人手臂回转运动的机构形式是多种多样的 ，常用的有叶片是回转缸，齿轮转动机构，链轮传动和连杆机构手臂俯仰运动机构，一

28、般采用活塞油（气）缸与连杆机构联用来实现手臂复合运动机构，多数用于动作程度固定不变的专用机器人。2.4 机器人机座有几种？试述每种机座结构。答：机器人几座有固定式和行走时2种1) 固定式机器人的级左右直接接地地面基础上，也可以固定在机身上2) 移动式机器人有可分为轮车机器人，有3组轮子组成的轮系四轮机器人三角论系统，全方位移动机器人，2足步行式机器人，履带行走机器人2.5工业机器人驱动机构有几种？试述每种机构的结构及原理。答：驱动机构分位直线驱动机构和旋转驱动机构直线驱动机构 又分位齿轮齿条装置，普通丝杆，滚珠丝杆，液压驱动，气压驱动旋转机构又分为齿轮链，同步皮带，谐波齿轮齿轮齿条齿条固定不动

29、，齿轮轴连同托板延迟方向做直线运动，普通丝杆摩擦力大，精度低效率低滚珠丝杆摩擦小，速度快，液压驱动有高精度的缺体和活塞一定完成的 气压驱动有3个自由度，分别为转动，X轴移动没和Z轴升降：出伦理按是有2个或者2个以上的齿轮组成的传动机构同步皮带韧性好价格便宜 谐波齿轮精度高回差小2.6工业机器人传动机构有几种？试述每种机构的结构及原理。答：传动机构非为齿轮传动，蜗杆传动，链传动行星齿轮传动，滚珠丝杆，谐波齿轮，钢带，同步齿型带和绳轮传动三菱转偶尔机器人采用电动方式驱动有2个自由度，分别为腰部旋转，肩旋转肘部旋转，手腕的俯仰与翻转，均有直流伺服电机驱动，其余为同步带传动。PUMA562机器有6个自

30、由度。信心的驱动方式有磁致伸缩传动吗，形状记忆金属 静电驱动。4.1 试述机器人视觉的结构及工作原理答:机器人视觉由 视觉传感器 摄像机和光源控制 计算器和图像处理机组成 原理：由视觉传感器讲景物的光信号转换成电信号 经过A/D转换成数字信号传递给图像处理器，同时光源控制器和摄像机控制器把把光线，距离颜色 光源方向等等参数传递给图像处理器 ，图像处理器对图像数据做一些简单的处理 将数据传递给计算机 最后由计算器存储和处理。4.2 试述机器人触觉的结构及工作原理答：机器人触觉机构：声波安全传感器 安全传感器 位置速度加速度传感器 超声波测距传感器 多方向接触传感器 电视摄像头 多自由度力传感器

31、握力传感器 触头 工作原理：用接近觉课感知对象物体在附近，手臂减速慢慢接近物体，用接触觉可知已接触带物体，控制手臂让物体到手指中间 和尚手指握住物体，用压觉控制握力。如果物体较重，则靠滑觉来检测滑动，修正设定的窝里来防止滑动，靠力觉控制与被测物体自重和转矩相应的力，或者举起或者移动物体，另外 力觉在旋紧螺母 轴和孔的嵌入等装配工作中也有广泛的应用4.3 试述机器人接近觉的结构及工作原理答：机器人接近觉的结构：测量量 媒介 对象物的反应接近觉传感器可分为6种 电磁式 光电式 静电容式 气压式 超声波式和红外线式电磁式传感器：在一个线圈中通入高频电流就会产生磁场， 这个磁场接近金属物时会在金属物种

32、缠身感应电流， 就是涡流。 涡流的大小随对像物体表面和线圈距离的大小而变化，这个变化反过来又影响线圈内磁场强度磁场强度可用另一组线圈检测出来，也可以根据激磁线圈本身电感的变化或激励电流的变化来检测。静电容式传感器是根据传感器表面与对象物体表面所形成的电容随距离变化的原理。气压式接近觉传感器是有一根细的喷嘴喷出气流。如果喷嘴靠近物体，则内部压力会发生变化，这一变化可用压力计来测量课计算出与物体间的距离 4.4 试述机器人压觉的结构及工作原理 答： 阵列式压觉传感器的结构和原理：（1）由条状的导电橡胶排成网状，每个棒子上附上一层导体引出，送给扫描电路；（2）由单向导电橡胶和印制电路板组成，电路板上

33、附有条状金属箔，两块板上的金属条方向互相垂直。比较高级的压觉传感器的结构和原理：是在阵列式触电上附一层导电橡胶，并在基板上装有集成电路，压力的变化使各接点间的电阻发生变化，信号经过集成电路处理后送出。4.5 论述机器人滑觉得结构及工作原理 答：机器人的握力应满足物体即不产生滑动而握力又为最小临界握力。如果能在刚开始滑动之后便立即检测出物体和手指间产生的相对位移，且增加握力就能使滑动迅速停止，那么该物体就可用最小的临界点握力抓住。 1）刚力握持机器人手紫红用一个固定的力，通常是用最大可能的力握持物体。 2）柔力握持根据物体和工作目的的不停，使用适当的力握持物体。握力可变或是自适应控制的。 3）零

34、力握持可握住物体但不用力，即只感觉到物体的存在。它主要用于探测物体，探索路径，识别物体的形状等目的。4.6 试论述机器人力觉的结构和工作原理 答：机器人作业时一个其与周围环境的交互过程。作业过程有两类：一类是非接触式的，如弧焊，喷漆等。基本不涉及力。另一类工作室通过接触才能完成的，如拧螺钉，点焊，装配，抛光，加工等。目前已有将视觉和力觉装安琪用于非事先定位的轴孔装配，其中，视觉完成大致的定位，装配过程靠孔德倒角作用不断产生的力反馈得以顺利完成。又如高楼清洁机器人，当它在擦拭干净玻璃时，显然用力不能太大也不能太小，这要求机器人作业时具备有力控制功能。当然，对于机器人的力传感器，不仅仅在上面描述的

35、机器人末端执行器与环境作用过程中发生的力测量，还有如机器人自行运动控制过程中的力反馈测量，机器手爪抓握物体时的我咯测量等。1) 装在关节驱动器上的力传感器，称为关节力传感器。它测量驱动器本身的输出力合力矩，用于控制中的力反馈。2) 装在末端执行器和机器人最后一个关节之间的力传感器，称为腕力传感器。腕力传感器能直接测出作用在末端执行器上的各向力合力矩。3) 装在机器人手爪指关节上的力传感器，称为指力传感器。它用来测量夹持物体时的手里情况。4.7论述机器人位置传感器的结构和工作原理 答：位置感觉和唯一感觉是机器人最起码的感觉要求，没有它机器人讲不能正常工作。它可以通过多种传感器来实现，常用的机器人

36、位置，位移传感器有电位器式位移传感器，电容式位移传感器，电感式位移传感器，光电式位移传感器，霍尔元件位移传感器，磁栅式位移传感器，以及机械式位移传感器等。4.8 试述机器人位移传感器的结构及工作原理？ 答： 按照电位器式位移传感器的结构，可以把它分为两大类：一类是直线型电位器，另一类是旋转型电位器。直线型电位器主要用于检测直线位移，其电阻器采用直线型螺线管或直线型碳膜电阻，滑动触点也只能沿电阻的直线方向做直线运动。直线型电位器的工作范围和分辨率受电阻器长度的限制。线绕电阻，电阻丝本身的不均匀性会造成电位器式传感器的输入输出关系的非线性。旋转型电位器的电阻元件呈圆弧状，滑动触点也只能在电阻元件上

37、做圆周运动。旋转型电位器有单圈电位器和多圈电位器两种。由于滑动触点等的限制，单圈电位器的工作范围只能小于360；对分辨率也有一定限制。对于多数应用情况来说，这并不会妨碍他的使用。假如需要更高的分辨率个更大的工作范围，可以选用多圈电位器。4.9试述机器人编码器的结构及工作原理？ 答：光电编码器是一种应用广泛的位置传感器，其分辨率完全能满足机器人的技术要求。这种非接触型传感器可分为绝对型和相对型。前者只要电源加到这种传感器的机电系统中，编码器就能给出实际的线性或旋转位置。因此，用绝对型编码器装备的机器人关节不要求校准，只要一通电，控制器就知道实际的关节位置。相对型编码器只能提供某基准点对应得位置信

38、息，所以，用相对型编码器的机器人在获得真实位置信息以前，必须首先完成校准程序。4.10试述机器人角速度传感器的结构及工作原理？答:旋转编码器和测速发电机是两种广泛采用的角速度传感器。1旋转编码器绝对型旋转编码器的输出表示的是旋转角度的实际值，所以若对单位时间前的值进行记忆，并取它与现时值之间的差值，就可以求得角速度。相对型编码器单位时间内输出脉冲的数目与角速度成比例。2测速发电机测速发电机与普通发电机的原理相同，除具有直流输出型和交流输出型以外，还有感应型。对于直流输出型，在其定子的永久磁铁产生的静止磁场中，安装绕有线圈的转子。当转动转子时，就会产生交流电流，因此，经过二极管整流后，就会变换成

39、直流进行输出。输出的电压与转子的角速度成比例。对于交流输出型，在固定线圈的内部安装着用永久磁铁做的转子。当转动转子时，定子线圈中会产生交流电流，并且原封不动的作为测速发电机输出。这时，从低速旋转到高速旋转，均可获得稳定的输出。4.11试述机器人位置传感器的结构及工作原理同4.7答：位置感觉和唯一感觉是机器人最起码的感觉要求，没有它机器人讲不能正常工作。它可以通过多种传感器来实现，常用的机器人位置，位移传感器有电位器式位移传感器，电容式位移传感器，电感式位移传感器，光电式位移传感器，霍尔元件位移传感器，磁栅式位移传感器，以及机械式位移传感器等。5.1 工业机器人控制系统有何特点？答：1、示教再现

40、功能示教再现功能是指控制系统可以通过示教盒或手把手进行示教，将动作顺序、运动速度、位置等信息用一定的方法预先教给工业机器人，由工业机器人的记忆装置将所教的操作过程自动的纪录在存储器中，当需要再现操作时，重放存储器中存储的内容即可。如需要更改操作内容时，只要重新示教一遍。2、运动控制功能运动控制功能是指对工业机器人末端操作器的位姿、速度、加速度等项目的控制。5.2 工业机器人控制方式有几种？答：工业机器人的控制方式多种多样，根据作业任务的不同，主要分为点位控制方式、连续轨迹控制方式、力（力矩）控制方式和智能控制方式。1）点位控制方式（PTP）这种控制方式的特点是只控制工业机器人末端执行器在作业空

41、间中某些规定的离散点上的位姿。控制时只要求工业机器人快速、准确地实现相邻各点之间的运动，而对达到目标点的运动轨迹则不作任何规定。这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需的时间。2）连续轨迹控制方式（CP）这种控制方式的特点是连续的控制工业机器人末端执行器在作业空间的位姿，要求其严格按照预定的轨迹和速度在一定的精度范围内运动，而且速度可控，轨迹光滑，运动平稳，以完成工作任务。3）力（力矩）控制方式在完成装配、抓放物体等工作时，除要准确定位外，还要求使用适度的力或力矩进行工作，这时就要利用力（力矩）伺服方式。这种方式的控制原理与位置伺服控制原理基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是

42、力（力矩）信号，因此系统zhog必须有力（力矩）传感器。有时也利用接近、滑动等传感功能进行自适应式控制。4）智能控制方式机器人的智能控制时通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身内部的知识库做出相应的决策。采用智能控制技术，使机器人具有了较强的适应性及自学习功能。智能控制技术的发展有赖于近年来人工神经网络、基因算法、遗传算法、专家系统等人工智能的迅速发展。5.3 画出交流电机的继电器正反转控制线路图，叙述工作过程。答:在图1是三相异步电动机正反转控制的电路和继电器控制电路图，图2与3是功能与它相同的PLC控制系统的外部接线图和梯形图，其中，KM1和KM2分别是控制正转运行和反转运行的交流接触器

43、.      在梯形图中，用两个起保停电路来分别控制电动机的正转和反转。按下正转启动按钮SB2，X0变ON，其常开触点接通，Y0的线圈“得电”并自保。使KM1的线圈通电，电机开始正转运行。按下停止按钮SB1，X2变ON，其常闭触点断开，使Y0线圈“失电”，电动机停止运行。      在梯形图中，将Y0与Y1的常闭触电分别与对方的线圈串联，可以保证他们不会同时为ON，因此KM1和KM2的线圈不会同时通电，这种安全措施在继电器电路中称为“互锁”。除此之外，为了方便操作和保证Y0和Y1不会同时为ON，

44、在梯形图中还设置了“按钮互锁”，即将反转启动按钮X1的常闭点与控制正转的Y0的线圈串联，将正转启动按钮X0的常闭触点与控制反转的Y1的线圈串联。设Y0为ON，电动机正转，这是如果想改为反转运行，可以不安停止按钮SB1，直接安反转启动按钮SB3，X1变为ON，它的常闭触点断开，使Y0线圈“失电”，同时X1的敞开触点接通，使Y1的线圈“得电”，点击正转变为反转。      在梯形图中的互锁和按钮联锁电路只能保证输出模块中的与Y0和Y1对应的硬件继电器的常开触点心不会同时接通。由于切换过程中电感的延时作用，可能会出现一个触点还未断弧，另一个却已合上的

45、现象，从而造成瞬间短路故障。      可以用正反转切换时的延时来解决这一问题，但是这一方案会增大编程的工作量，也不能解决不述的接触触点故障引起的电源短路事故。如果因主电路电流过大或者接触器质量不好，某一接触器的主触点被断电时产生的电弧熔焊而被粘结，其线圈断电后主触点仍然是接通的，这时如果另一个接触器的线圈通电，仍将造成三相电源短路事故。为了防止出现这种情况，应在PLC外部设置KM1和KM2的辅助常闭触点组成的硬件互锁电路（见图2），假设KM1的主触点被电弧熔焊，这时它与KM2线圈串联的辅助常闭触点处于断开状态，因此KM2的线圈不可能得电。&#

46、160;     图1中的FR是作过载保护用的热继电器，异步电动机长期严重过载时，经过一定延时，热继电器的常开触点断开，常开触点闭合。其常闭触点与接触器的线圈串联，过载时接触其线圈断电，电机停止运行，起到保护作用。      有的热继电器需要手动复位，即热继电器动作后要按一下它自带的复位按钮，其触点才会恢复原状，及常开触点断开，常闭触点闭合。这种热继电器的常闭触点可以像图2那样接在PLC的输出回路,仍然与接触器的线圈串联，这反而可以节约PLC的一个输入点。    &

47、#160; 有的热继电器有自动复位功能，即热继电器动作后电机停止转，串接在主回路中的热继电器的原件冷却，热继电器的触点自动恢复原状。如果这种热断电器的常闭触点仍然接在PLC的输出回路，电机停止转动后果一段时间会因热继电器的触点恢复原状而自动重新运转，可能会造成设备和人身事故。因此有自动复位功能的热继电器的常闭触点不能接在PLC的输出回路，必须将它的触点接在PLC的输入端（可接常开触点或常闭触点），用梯形图来实现点击的过载保护。如果用电子式电机过载保护来代替热继电器，也应注意它的复位.5.3 画出直流电机的继电器正反转控制线路图，叙述工作过程。答:6.1 试述工业机器人维修详细步骤答: 示教器又

48、叫示教编程器（以下简称示教器）是机器人控制系统的核心部件，是一个用来注册和存储机械运动或处理记忆的设备，该设备是由电子系统或计算机系统执行的。示教器故障及处理方案 示教器触摸不良或局部不灵（更换触摸面板） 示教器无显示（维修或更换内部主板或液晶屏） 示教器显示不良、竖线、竖带、花屏等（更换液晶屏） 示教器按键不良或不灵（更换按键面板） 示教器有显示无背光（更换高压板） 示教器操纵杆XYZ轴不良或不灵（更换操纵杆） 急停按键失效或不灵（更换急停按键） 数据线不能通讯或不能通电，内部有断线等（更换数据线） 6.2试述工业机器人设计详细步骤答: 工业机器人设计步骤对于工业机器人的设计与大多数机械设计

49、过程相同；首先要知道为什么要设计机器人？机器人能实现哪些功能？活动空间（有效工作范围）有多大？了解基本的要求后，接下来的工作就好作了。6 U, h6 P* 首先是根据基本要求确定机器人的种类，是行走的提升（举升）机械臂、还是三轴的坐标机器人、还是六轴的机器人等。选定了机器人的种类也就确定了控制方式，也就有了在有限的空间内进行设计的指导方向。% j4 f( Q& N2 8 q* 接下来的要做的就是设计任务的确定。这是一个相对复杂的过程，在实现这一复杂过程的第一步是将设计要求明确的规定下来；第二步是按照设计要求制作机械传动简图，分析简图，制定动作流程表（图），初步确定传动功率、控制流程和方

50、式；第三步是明确设计内容，设计步骤、攻克点、设计计算书、草图绘制，材料、加工工艺、控制程序、电路图绘制；第四步是综合审核各方面的内容，确认生产。 A 可行性分析1. 技术上的可能性与先进性这是可行性分析首先要解决的问题。为此,必须首先进行可行性调查, 主要包括: 用户现场调研和相似作业的实例调查等。 充分取得了调查资料之后, 就要规划初步的技术方案, 为此要进行如下工作: 作业量及难度分析; 编制作业流程卡片; 绘制时序表, 确定作业范围并初选机器人型号; 确定相应的外围设备; 确定工程难点并进行试验取证; 确定人工干预程度等。 最后, 提出几个规划方案并绘制相应的机器人工作站或生产线的平面配

51、置图, 编制说明文件。然后对各方案进行先进性评估, 具体包括机器人系统、外围设备以及控制、通讯系统等的先进性。 2. 投资上的可能性和合理性根据前面提出的技术方案, 按机器人系统、 外围设备、 控制系统以及安全保护设施等逐项进行估价, 并考虑工程进行中可以预见和不可预见的附加开支, 按工程计算方法得到初步的工程造价。 3. 工程实施过程中的可能性和可变更性在满足前两项之后， 接下来便是引入方案, 还要对方案进行施工过程中可能性和可变更性的分析。 这是因为在很多设备、原件等的制造、选购、运输、安装过程中, 还可能出现一些不可预见的问题, 必须找到发生问题时的替代方案。在进行上述分析之后, 就可对

52、机器人引入工程的初步方案进行可行性排序, 得出可行性结论, 并确定一个最佳方案, 再进行机器人工作站、 生产线的工程设计B 机器人工作站和生产线的详细设计1. 规划及系统设计规划及系统设计包括设计单位内部的任务划分, 机器人考查及询价, 编制规划单, 运行系统设计, 外围设备(辅助设备、 配套设备以及安全装置等)能力的详细计划, 关键问题的解决等。 2. 布局设计布局设计包括机器人选用, 人-机系统配置, 作业对象的物流路线,电、液、气系统走线,操作箱、电器柜的位置以及维护修理和安全设施配置等内容。 3. 扩大机器人应用范围辅助设备的选用和设计此项工作的任务包括工业机器人用以完成作业的末端操作

53、器、固定和改变作业对象位姿的夹具和变位机、改变机器人动作方向和范围的机座的选用和设计。一般来说,这一部分的设计工作量最大。 4. 配套和安全装置的选用和设计此项工作主要包括为完成作业要求的配套设备(如弧焊的焊丝切断和焊枪清理设备等)的选用和设计; 安全装置(如围栏、 安全门等)的选用和设计以及现有设备的改造等内容。 5. 控制系统设计此项设计包括选定系统的标准控制类型与追加性能, 确定系统工作顺序与方法及互锁等安全设计; 液压、 气动、 电气、 电子设备及备用设备的试验; 电气控制线路设计; 机器人线路及整个系统线路的设计等内容。 6. 支持系统此项工作为设计支持系统,该系统应包括故障排队与修

54、复方法, 停机时的对策与准备, 备用机器的筹备以及意外情况下的救急措施等内容。 7. 工程施工设计此项设计包括编写工作系统的说明书, 机器人详细性能和规格的说明书、接收检查文本、标准件说明书, 绘制工程制图, 编写图纸清单等内容。 8. 编制采购资料此项任务包括编写机器人估价委托书, 机器人性能及自检结果, 编制标准件采购清单、培训操作员计划、维护说明及各项预算方案等内容C 制造与试运行1. 制作准备制作准备包括制作估价, 拟定事后服务及保证事项, 签订制造合同, 选定培训人员及实施培训等内容。 2. 制作与采购此项任务包括设计加工零件的制造工艺, 零件加工, 采购标准件, 检查机器人性能,

55、采购件的验收检查以及故障处理等内容。 3. 安装与试运转此项任务包括安装总体设备, 试运转检查, 试运转调整, 连续运转, 实施预期的机器人系统的工作循环、生产试车、 维护维修培训等内容。 4. 连续运转连续运转包括按规划中的要求进行系统的连续运转和记录, 发现和解决异常问题, 实地改造, 接受用户检查, 写出验收总结报告等内容。C 交付使用1. 运转率检查此项任务包括正常运转概率测定、周期循环时间和产量的测定、停车现象分析及故障原因分析等内容。 2. 改进此项任务包括正常生产必须改造事项的选定及实施和今后改进事项的研讨及规划等内容。 3. 评估此项任务包括技术评估, 经济评估, 对现实效果和

56、将来效果的研讨, 再研究课题的确定以及写出总结报告等内容。 由此看出, 在工业生产中引入机器人系统是一项相当细致复杂的系统工程,它涉及机、电、液、气、讯等诸多技术领域。 不仅要求人们从技术上进行可行性研究, 而且要从经济效益、 社会效益、企业发展等多方面进行可行性研究。只有立题正确、 投资准、选型好、设备经久耐用, 才能做到最大限度地发挥机器人的优越性, 提高生产效率。 工程工业机器人和外围设备1. 工业机器人和外围设备的任务 1) 自动化规模和工业机器人实施自动化时, 无论使用工业机器人与否, 其规模的大小是一个重要的问题。工业机器人的规格和外围设备的规格都是随着自动化规模而变化的。 一般情

57、况下,灵活性高的工业机器人的价格也高,但外围设备较为简单, 并能适应产品的型号变化。灵活性低的工业机器人,其外围设备较为复杂,当产品型号改变时,需要高额的投资。2) 工业机器人和外围设备的选择若要决定自动化的程度, 就必须确定工业机器人和外围设备的规格。 对于工业机器人而言, 首先必须确定的是选用市场出售的工业机器人还是选用特殊制造的工业机器人。 通常, 除生产一定数量的同类工业机器人外,从市场上选择适合该系统使用的工业机器人, 既经济可靠, 又便于维护保养。 2. 外围设备的种类及注意事项必须根据自动化的规模来决定工业机器人与外围设备的规格。 因作业对象不同, 其规格也多种多样。 机器人的作业内容大致可分为装卸、搬运作业和喷涂、焊接作业两种基本类型(后者持有喷枪、 焊枪或焊炬)。 当工业机器人进行作业时, 喷涂设备、焊接设备等作业装置都